c - 带标准输入的 N 叉树函数(makenode、insert)

标签 c algorithm tree

我尝试编写以下函数

typedef struct node{
    char *name;
    int n;  //number of kids
    struct node **kids;
    int dtype; // COMPOSITE or BASIC
    union data{
        double price; //for BASIC
        char *quantity; //for COMPOSITE
    }data;
}node;

void create_kid(node **parent){
    if(*parent == NULL){
        (*parent) = malloc(sizeof(node));
        (*parent)->n = 0;
        (*parent)->kids = NULL;
    }else{
        (*parent)->n += 1;
        (*parent)->kids = realloc((*parent)->kids, ((*parent)->n)*(sizeof(node)));
        (*parent)->kids[(*parent)->n - 1] = malloc(sizeof(node));
        (*parent)->kids[(*parent)->n - 1]->n = 0;
        (*parent)->kids[(*parent)->n - 1]->kids = NULL;
    }
}

void insert_c(node *node, char *str){
        node->name = malloc(MAX);
        node->name = str;
        node->dtype = COMPOSITE;
}

void insert_b(node *node, char *str){
        node->name = malloc(MAX);
        node->name = str;
        node->dtype = BASIC;
}

从这样的输入中制作出这样的 n 叉树
BIKE(2*WHEEL(RIM[60.0 ],
        2*AXLE,
        SPOKE[120.],
        HUB(2*GEAR[25.],AXLE(5*BOLT[0.1], 7 * NUT[.15]))),
    FRAME(REARFRAME [175.00],
        1*FRONTFRAME (FORK[22.5] ,AXLE, 2 *HANDLE[10.])))

我知道 n 元树的另一种表示形式，包括 *siblings 和 *firstkid，但我相信这种 **kids 表示形式更适合我的情况。我想问几件事。

首先，功能有什么问题吗？它们适合构建 n 叉树吗？

其次，即使我得到了正确的功能，我也无法从输入中构造树。例如，根据输入，如果我一次读一个单词，函数调用与我的函数必须是这样的:
create_kid(&tree);
insert_c(tree, "BIKE");
create_kid(&tree);
insert_c(tree->kids[0], "WHEEL");
create_kid(&(tree->kids[0]));
insert_c(tree->kids[0]->kids[0], "RIM");
.
.
.
create_kid(&tree);
insert_c(tree->kids[1], "FRAME");
.
.

如果要以这种方式形成树，我需要从较高的深度到较低的深度，从 NUT至FRAME例如。所以我相信一定有更简单的方法，也许是递归的方法。有什么办法可以通过递归来做到这一点？

最佳答案

先说小事:

如果 AXLE 节点的同一个实例位于“树”中的不同位置，则 n 叉树不再是 n 叉树。它是一个图表。如果您的车轴还包含一辆自行车，那么它甚至会是一个循环图。

在实现所有这些时，您会注意到不同之处。您将需要引用计数或图表中的某些内容来决定何时真正释放节点。在真正的 n 元树中，您不需要这样做，因为每个节点在树中只出现一次。

接下来的行政事项:

您决定使用指针数组作为数据结构来包含节点的子节点。因此，为了降低代码的复杂性，作为第一步，实际创建一个(动态)指针数组是一个好主意。好处:您的树代码没有动态数组代码的负担，您可以进行单元测试，甚至可以将您的动态指针数组重新用于其他项目。

我敲了一个示例指针数组实现(没有真正深入测试)来展示原理。

为了让这里显示的代码更“用户友好”——首先是我使用的包含，以便将其排除在外:

#include <crtdbg.h> // Windows specific - helps find memory leaks.
#include <stdint.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <assert.h>

现在到指针数组的实现:
typedef struct PointerArray_tag
{
    void**data;
    size_t capacity;
    size_t size;
} PointerArray_t;

void PointerArrayInitialize(PointerArray_t *array)
{
    array->data = NULL;
    array->capacity = 0;
    array->size = 0;
}

int PointerArrayReserve(PointerArray_t *array, size_t capacity)
{
    if (array->capacity < capacity)
    {
        void **newData = (void**)realloc(array->data, capacity * sizeof(void*));
        if (NULL != newData)
        {
            array->data = newData;
            array->capacity = capacity;
            return 1; // 1 = "true" in C and indicates success.
        }
        return 0; // 0 = "false" in C and indicates failure...
    }
    else
    {
        return 1;
    }
}
typedef void (*PointerArrayElementFree_t)(void *element);

int PointerArrayResize(PointerArray_t *array, size_t newSize, void* value, PointerArrayElementFree_t elementFree)
{
    if (NULL == array) return 0;
    if (NULL == elementFree) return 0;

    if (newSize < array->size)
    {
        for (size_t index = newSize; index < array->size; index++)
        {
            elementFree(array->data[index]);
        }
        array->size = newSize;
        return 1;
    }
    else if (newSize > array->size)
    {
        size_t oldSize = array->size;
        if (PointerArrayReserve(array, newSize))
        {
            for (size_t index = oldSize; index < newSize; index++)
            {
                array->data[index] = value;
            }
            array->size = newSize;
            return 1;
        }
        return 0; // Reserve() failed, so this function also failed.
    }
    else
        return 1; // oldSize == newSize - nothing to do.
}

int PointerArrayInitializeWithCapacity(PointerArray_t *array, size_t initialCapacity)
{
    PointerArrayInitialize(array);
    return PointerArrayReserve(array, initialCapacity);
}

int PointerArrayPushBack(PointerArray_t *array, void*element)
{
    if (PointerArrayReserve(array, array->size + 1))
    {
        array->data[array->size] = element;
        array->size++;
        return 1;
    }
    return 0;
}

int PointerArrayClear(PointerArray_t *array, PointerArrayElementFree_t elementFree)
{
    if (NULL == elementFree) return 0;
    if (NULL == array) return 0;

    for (size_t index = 0; index < array->size; index++)
    {
        elementFree(array->data[index]);
        array->data[index] = NULL;
    }
    array->size = 0;
    return 1;
}

int PointerArrayUninitialize(PointerArray_t *array, PointerArrayElementFree_t elementFree)
{
    if (PointerArrayClear(array, elementFree))
    {
        free(array->data);
        array->data = NULL;
        array->capacity = 0;
        return 1;
    }
    return 0;
}

这里没什么特别的。具有通常操作的 void 指针的动态数组。

接下来，虽然不是 100% 适合您的问题(我觉得这样做会花费我更多的时间)，但 n-ary 树实现。如上所述，它还没有准备好用作图表。

另外，我冒昧地假设了一种语法形式:
<Material> ::= <Count> <Name> <Size>
            |  <Count> <Name>

解析这个产品，解析器首先会找到一个数字(例如 2 个轮子)，然后是 Material 的名称(轮子)，然后是可选的测量值(例如 Nuts[0.15])。

当应用程序使用 AST 并且过于复杂时，更接近您的问题的替代语法稍后将更难处理:
<Material> ::= <Count> <Name> <Size>
            | <Count> <Name>
            | <Name>
            | <Name> <Size>

这暗示如果您对输入文本的语法有影响，您可以对其进行一些改进。

所以，这里是 ComponentTree 代码，它具有上述约束。
enum NodeContentType
{
    EMPTY = 0
,   NUMBER = 1
,   NAME = 2
};

typedef struct NodeContent_tag
{
    NodeContentType type;
    union
    {
        float number;
        char *name;
    };
} NodeContent_t;

typedef struct ComponentNode_tag
{
    NodeContent_t content;
    ComponentNode_tag * parent;
    PointerArray_t children;
} ComponentNode_t;

void ComponentNodeFree(ComponentNode_t *node)
{
    // Clean up anything heap based in NodeContent_t.
    switch (node->content.type)
    {
    case NAME:
        free(node->content.name);
        node->content.name = NULL;
        node->content.type = EMPTY;
        break;
    default:
        // nothing to do.
        break;
    }

    // Free all the children below this node recursively.
    PointerArrayUninitialize(&node->children, (PointerArrayElementFree_t)ComponentNodeFree);
    free(node);
}
typedef struct ComponentTree_tag
{
    ComponentNode_t root;
} ComponentTree_t;

void ComponentTreeInitialize(ComponentTree_t *tree)
{
    tree->root.content.type = EMPTY;
    PointerArrayInitialize(&tree->root.children);
    tree->root.parent = NULL;
}

ComponentNode_t *ComponentTreeRoot(ComponentTree_t *tree)
{
    return &tree->root;
}

void ComponentTreeClear(ComponentTree_t *tree)
{
    if (NULL != tree)
    {
        PointerArrayClear(&tree->root.children,(PointerArrayElementFree_t)ComponentNodeFree);
    }
}

void ComponentTreeUninitialize(ComponentTree_t *tree)
{
    if (NULL != tree)
    {
        PointerArrayUninitialize(&tree->root.children, (PointerArrayElementFree_t)ComponentNodeFree);
    }
}

ComponentNode_t *ComponentTreeCreateEmptyNode()
{
    ComponentNode_t *node = (ComponentNode_t*)malloc(sizeof(ComponentNode_t));
    if (NULL != node)
    {
        node->content.type = EMPTY;
        node->parent = NULL;
        PointerArrayInitialize(&node->children);
    }
    return node;
}

ComponentNode_t *ComponentTreeCreateNameNode(const char *name)
{
    ComponentNode_t *node = (ComponentNode_t*)malloc(sizeof(ComponentNode_t));
    if (NULL != node)
    {
        node->content.type = NAME;
        node->content.name = _strdup(name);
        assert(NULL != node->content.name); 
        if (NULL == node->content.name)
        {
            free(node);
            return NULL;
        }
        node->parent = NULL;
        PointerArrayInitialize(&node->children);
    }
    return node;
}

ComponentNode_t *ComponentTreeCreateNumberNode(float number)
{
    ComponentNode_t *node = (ComponentNode_t*)malloc(sizeof(ComponentNode_t));
    if (NULL != node)
    {
        node->content.type = NUMBER;
        node->content.number = number;
        node->parent = NULL;
        PointerArrayInitialize(&node->children);
    }
    return node;
}


int ComponentTreeJoin(ComponentTree_t *tree, ComponentNode_t *where, ComponentNode_t *child)
{
    if (NULL == child) return 0;
    if (NULL != child->parent) return 0; // is already in a tree.
    if (NULL == tree) return 0;
    if (NULL == where)
    {
        where = &tree->root;
    }
    child->parent = where;
    return PointerArrayPushBack(&where->children, child);
}
ComponentTree_t *tree 乍一看可能有点滑稽。参数存在于 ComponentTreeJoin() .而是 CompoenentTreeCreateXXXNode()函数也应该有它。为什么？因为很可能以后有人想要拥有像 ComponentTree_t *ComponentTreeFromNode(ComponentNode_t *node) 这样的功能。或 ComponentNode_t *ComponentTreeGetRoot(ComponentNode_t *node) .

最后同样重要的是，树的手动组装可能看起来像这样(不完整，这个答案已经很长了):
int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[])
{
    ComponentTree_t bikeTree;
    ComponentTreeInitialize(&bikeTree);
    ComponentNode_t * nutSize = ComponentTreeCreateNumberNode(0.15f);
    ComponentNode_t * nut = ComponentTreeCreateNameNode("NUT");
    ComponentTreeJoin(&bikeTree, nut, nutSize);
    ComponentNode_t *nutCount = ComponentTreeCreateNumberNode(7.0f);
    ComponentTreeJoin(&bikeTree, nutCount, nut);
    ComponentNode_t * boltSize = ComponentTreeCreateNumberNode(0.1f);
    ComponentNode_t * bolt = ComponentTreeCreateNameNode("BOLT");
    ComponentTreeJoin(&bikeTree, bolt, boltSize);
    ComponentNode_t * boltCount = ComponentTreeCreateNumberNode(5.0f);
    ComponentTreeJoin(&bikeTree, boltCount, bolt);
    ComponentNode_t * axle = ComponentTreeCreateNameNode("AXLE");
    ComponentTreeJoin(&bikeTree, axle, nutCount);
    ComponentTreeJoin(&bikeTree, axle, boltCount);
    ComponentNode_t *axleCount = ComponentTreeCreateNumberNode(1.0f);
    ComponentTreeJoin(&bikeTree, axleCount, axle);
    ComponentNode_t *gearSize = ComponentTreeCreateNumberNode(25.0f);
    ComponentNode_t *gear = ComponentTreeCreateNameNode("GEAR");
    ComponentTreeJoin(&bikeTree, gear, gearSize);
    ComponentNode_t *gearCount = ComponentTreeCreateNumberNode(2.0f);
    ComponentTreeJoin(&bikeTree, gearCount, gear);
    ComponentNode_t *hub = ComponentTreeCreateNameNode("HUB");
    ComponentTreeJoin(&bikeTree, hub, gearCount);
    ComponentTreeJoin(&bikeTree, hub, axleCount);
    ComponentNode_t *hubCount = ComponentTreeCreateNumberNode(1.0f);
    ComponentTreeJoin(&bikeTree, hubCount, hub);
    ComponentNode_t * spokeSize = ComponentTreeCreateNumberNode(120.0f);
    ComponentNode_t * spoke = ComponentTreeCreateNameNode("SPOKE");
    ComponentTreeJoin(&bikeTree, spoke, spokeSize);
    ComponentNode_t * spokeCount = ComponentTreeCreateNumberNode(1.0f);
    ComponentTreeJoin(&bikeTree, spokeCount, spoke);
    ComponentNode_t * axle1 = ComponentTreeCreateNameNode("AXLE");
    ComponentNode_t * axle1Count = ComponentTreeCreateNumberNode(2.0f);
    ComponentTreeJoin(&bikeTree, axle1Count, axle1);
    // ...
    ComponentNode_t * wheel = ComponentTreeCreateNameNode("WHEEL");
    ComponentTreeJoin(&bikeTree, wheel, axle1Count);
    ComponentTreeJoin(&bikeTree, wheel, spokeCount);
    ComponentTreeJoin(&bikeTree, wheel, hubCount);
    ComponentNode_t * wheelCount = ComponentTreeCreateNumberNode(2.0f);
    ComponentTreeJoin(&bikeTree, wheelCount, wheel);
    ComponentNode_t *bike = ComponentTreeCreateNameNode("BIKE");
    ComponentTreeJoin(&bikeTree, bike, wheelCount);
    ComponentNode_t *bikeCount = ComponentTreeCreateNumberNode(1.0f);
    ComponentTreeJoin(&bikeTree, bikeCount, bike);
    // .. frame branch omitted .. 
    ComponentTreeJoin(&bikeTree, NULL, bikeCount);
    ComponentTreeUninitialize(&bikeTree);

    _CrtDumpMemoryLeaks();
    return 0;
}

概括:
  • 如果它真的应该是一个图，而不是一个 n-ary 树，那么有人选择了错误的术语。
  • 混合到树实现中的动态数组代码会使代码的可测试性和可读性降低。
  • 如果使用作为 child 列表的动态指针数组或单链表并不是真正的基础。可能列表更适合，因为示例输入中的大多数节点无论如何都只有 1 个子节点，并且差异很小。数组的当前实现也没有节省堆操作的数量(但它可以，如果默认容量没有被编程为 0 但可能是 1 或 2 或其他合适的值)。
  • main()代码显示了如何以不完全按照解析器遍历输入文本的顺序构建树。 (我有时从右到左而不是 100% 从左到右)。
  • 此处显示的代码不会将 Material 项的数量视为节点的成员，但它会在 Material 名称节点的顶部生成一个数字节点。这可以但不一定是有益的，因为它完全取决于语法的定义方式和解析器的类型等。这通常是这种情况。 AST 最终的样子也受解析器决策的驱动。

    • 关于c - 带标准输入的 N 叉树函数(makenode、insert)，我们在Stack Overflow上找到一个类似的问题： https://stackoverflow.com/questions/30555071/

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